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太赫兹频率上转换成像系统

更新时间:2023-11-17      点击次数:294

      电磁波谱中的太赫兹波段(1-10THz)是一个相对未被大家深入研究的波段。太赫兹波段的一个重要的特点就是太赫兹波对衣物,陶瓷,塑料以及包装盒材料等非极性材料具有高的穿透性,这使得太赫兹可以在国防,安检,生产过程等领域实现有吸引力的无损探测功能。太赫兹波同时对生物组织也是无损伤的,因此它也可以对生物组织以及药品进行无损成像。但是太赫兹源和探测器的稀缺让太赫兹波的实际应用受到阻碍。

      对于一个实用的太赫兹成像系统,高功率源和高效率检测相结合是可行且必需的。检测太赫兹有两种方法:1)直接探测,即使用能够感应太赫兹波的检测器;2)主动探测,其中太赫兹光束与光频率场混频,探测其混频场。直接探测器往往速度慢且缺乏灵敏度,这使得它们在实际应用中很麻烦。主动检测依赖于一个非线性过程,其中太赫兹光束被转换到一个光信号。太赫兹辐射可以与可见光或近红外光非线性混合,产生“上-"转换后的信号可以被高度灵敏、快速和相对便宜的CCD或CMOS检测到相机。太赫兹到光学的转换效率取决于所使用的峰值功率,因此是短脉冲是可取的。因为使用的近红外光通常比上转换光波强很多个数量级,提高图像质量需要最大限度的增加混频光,并且尽可能多的移除背景噪声。

     

TPO太赫兹参数振荡器是太赫兹上转换成像的理想光源

• THz和IR辐射的同步脉冲。
• 高重频在上转换信号中提供高平均功率,易于检测CCD或CMOS相机的探测。
• 窄带脉冲产生的频谱分离上转换信号可以利用彩色滤光片从强泵浦光束中分离出来。
• 短脉冲有效地驱动非线性上转换过程


 图1所示。实验图显示了THz非线性成像装置。THz辐射入射到一个物体上(“物体") 然后聚焦到一个位于傅里叶变换平面上的非线性晶体中。在1064nm处的红外光谱结束与晶体中的太赫兹光重叠,将太赫兹图像的空间频率向上转换到中红外。使用镜头在CCD或CMOS相机上对上转换光进行反变换,形成图像。一个是偏光镜和长通滤波器用于去除残留的1064 nm光,只留下1070 nm的上转换光。



图2所示:上转换光的光谱。少量残余泵光@1063.8 nm时,而在1069.5nm处出现了一个强峰值,对应于这个差值正是泵浦红光和THz

与任何非线性交互作用一样,上转换过程的效率随着峰值功率的增加而增加。因此,较短的脉冲提供了较高的信号功率的优势。通过保持较窄的带宽,上转换信号的频谱可以很好地与强红外光分离(图2),起到了滤波作用。


图3,以每秒8帧的速度拍摄的视频。中间一列是未处理图像,右边一列是图像显示归一化的结果。

       泵浦光束与上转换光束光谱分离的能力是该方法的关键因为它能在很少或没有图像处理的情况下实现快速成像。实时图像可以采取简单将一个物体置于THz光束中。如果光束的参考图像是在物体插入之前拍摄的,则对图像进行归一化处理,实现了对整个视场的相对传输量的真实测量时间。图3突出显示了系统的实时成像功能。左边的一列是对象和中心列显示没有图像处理的以8帧/秒拍摄的视频的一帧。在右边的柱,图像已经被光束的参考图像分割,该参考图像是在光束之前拍摄的视频。最上面一排显示了隐藏在电子胶带中的剃须刀片,这清楚地显示了它的穿透能力带子露出了金属刀片。第二行是叶子的传输图像,显示了其静脉结构。

      输出频率为1.5 THz是通过大气透射窗传播的理想频率。另外波长200um足以使得其分辨率分辨出大部分小物体。成像系统的调制传递函数(MTF)的测量使用倾斜边缘方法,成像如图4a所示。图4b中的MTF计算结果显示在0.5行对/处的值为0.4毫米,为毫米级的成像提供足够的对比度。


图4,利用刀口图像(a)获得调制传递函数(b)。

    


   

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